上海城市軌道交通數字化運維生產協同系統的研究

吳 敏

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！胃呒壒こ處?

在超大規模網絡化運營環境下，城市軌道交通運營維護(以下簡稱“運維”)管理的難度越來越高，也越發復雜。一方面，目前城市軌道交通既有的設備維護系統以設備在線監測和告警為主，可輔助運維人員對設備進行故障診斷，但維護系統和生產作業間尚未形成緊密的有機協同，從而無法進一步提升設備運維的質量和效率；另一方面，隨著線網的持續擴充，具有專業經驗的運維專家資源在一定程度上被攤薄，面對線路突發故障時響應能力受限。因此，如何有效解決當前城市軌道交通的實際痛點問題，是上海軌道交通運營管理面臨的重大挑戰。

在此背景下，本文構建了城市軌道交通數字化生產運維協同系統(以下簡稱“數字化運維協同系統”)，以實現協同系統、運維人員及生產管理體系的高效適配，提升核心生產/運維場景的質量和效率，逐步建成基于設備狀態修的數字化維護模式。

1 數字化運維協同系統的目標及需求

城市軌道交通運維的質量和效率直接影響到運營安全和運輸效能。在設備故障期間，應急指揮及搶修的效率決定了調度調整方案及對運營的影響；在維護檢修期間，檢修作業的質量決定了設備運行的可靠度，盡可能避免運營過程中的風險和隱患；在生產過程中，運維人員的經驗和技能決定了生產的質量和效能，但由于工作人員的經驗和技能存在差異、應急處置過程對操作人員的心理影響不一，工作人員排除故障或應急處置的結果差異較大。因此，如何通過數字化系統代替人工進行故障診斷分析及智能決策，并與運維人員之間充分的協同聯動，是城市軌道交通運維生產增質提效的關鍵。

基于上述的現狀分析，有必要通過構建數字化驅動的故障應急協同系統，提升城市軌道交通系統的應急影響評估及應急決策能力、故障診斷分析及維護指導能力、資源信息化協同及信息協作交互能力，以實現基于數據推導的更高效的故障應急響應體系，減少對城市軌道交通正常運營的影響。此外，通過建立以設備狀態監督和人工狀態確認雙重保障機制的系統閉環體系，對設備實時監視和生產作業過程進行智能化協同防護，以提升檢修作業的質量，避免設備運營風險及影響。

2 數字化運維協同系統業務場景設計

2.1 故障應急協同聯動

故障應急協同聯動場景主要為運營故障發生時的高效指揮及處置，面向對象為應急指揮人員、應急處置人員及其余相關人員。按應急處置的標準和流程，故障應急處置可分為故障診斷、應急工單下發、應急指揮和故障修復4個階段，如圖1所示。其中，在故障診斷階段，通過數字化運維協同系統自動推導得到可能的故障原因及定位，盡快自動形成應急工單并下發。此外，數字化運維協同系統應進一步評估當前故障的影響范圍、預計故障延時等關鍵信息。應急處置人員接到應急工單后，根據數字化運維協同系統提供的人員、應急物資、設備狀態及最優應急路徑等信息，實現應急指揮全過程的高效管控。待故障修復后，數字化運維協同系統應自動生成故障專報，完成故障閉環及發布，并將本次故障作為案例，納入故障案例庫。

圖1 故障應急協同聯動的流程設計

2.2 設備檢修監督卡控

設備檢修監督卡控旨在輔助生產作業人員高質量、高效率地完成日常檢維修工作，避免因人為原因造成可能的運營風險。設備檢修監督卡控主要包括設備檢修監督和設備檢修卡控兩大功能。數字化運維協同系統對設備狀態進行全覆蓋監測，在此基礎上將檢修過程中的標準工序及檢修結束后的預期狀態作為監督和卡控的要素，以達到系統與運維人員實時協同的目的。

如圖2所示，設備檢修監督卡控的流程為：①當生產計劃工單下達后，檢修作業人員使用數字化運維協同系統的移動端實現信息化的前序交底，其工作內容主要包括交底事項、工器具核點及電子化簽署等；②完成交底后，檢修作業人員按照修程/修制要求執行每項檢修作業，通過數字化運維協同系統建立電子化檢修標準規范庫，實現檢修過程的實時監督；③當檢修工序存在缺項/漏項、單項工序輸出狀態不達標或檢修的執行次數不達標時，數字化運維協同系統會自動預警，通知生產盯控人員及檢修作業人員予以確認，確保檢修過程高質量完成；④檢修作業完成后進行閉環管理，數字化運維協同系統自動對被檢設備的結果狀態進行分析和檢查，以避免因檢修疏漏造成的設備風險。

圖2 設備檢修監督卡控的流程設計

3 數字化運維協同系統架構設計

基于上文的業務場景設計，數字化運維協同系統從系統網域設計和系統平臺設計兩方面提出該系統的架構設計方案。

3.1 系統網域設計

如圖3所示，數字化運維協同系統基于分層跨網域設計原則，從層級上分為線路接入層和運維中心層。線路接入層用以實現各城市軌道交通線路設備側數據的標準化采集和傳輸；運維中心層通過3個網域(生產核心網域、生產管理網域及互聯網域)實現各類數據驅動的上層應用功能。其中：生產核心網域用于承載各條線路設備數據的集中匯聚、存儲及邏輯計算，屬于高防護等級的安全網域；生產管理網域用于承載數字化運維協同系統與運維人員的雙向信息聯動，屬于中等防護等級的安全網域；互聯網域用于承載數字化運維生產協同信息的移動端應用，屬于外部網域。

圖3 數字化運維協同系統架構示意圖

3.2 系統平臺設計

數字化運維協同系統是面向跨線路、多專業的集成化業務應用系統，首先應從該系統的統一性和標準性出發，建立該系統平臺的標準/規范。數字化運維協同系統遵循平臺化分層架構、模塊化復用設計的原則，實現該系統自下而上的功能模塊設計。其總體架構如圖4所示,分為基礎平臺層和應用平臺層兩部分。

1) 數字化運維協同系統的硬件平臺：基于云平臺構建，具有資源橫向擴展能力的基礎平臺底座，可滿足上層應用模塊對于數據存儲、計算及網絡傳輸的應用要求。

2) 數字化運維協同系統的軟件平臺：分為基礎中臺、數據中臺、技術中臺和業務應用4層架構。其中：①基礎中臺基于通用的技術框架和組件，該系統的基礎技術平臺主要包括實現虛擬化資源管理的云管平臺和容器化平臺，提供應用服務解耦能力的微服務平臺，滿足系統維護需求的基礎運維平臺、自動部署平臺和測試集成平臺；②數據中臺是數字化運維協同系統的核心，用于綜合管理各城市軌道交通線路接入的海量運維數據，以實現高冗余的持久化存儲，其外部系統的數據服務均采用統一的標準接口協議/規范；③技術中臺為業務需求場景提供專項技術工具及引擎支撐，通過數據分析建模工具及引擎實現設備故障診斷、設備發展趨勢評估計算等邏輯分析類功能，通過流程分析工具及引擎實現動態應急流程及檢維修工序等流程類業務，通過地理信息引擎實現故障應急場景下的人員、物資定位及可視化，通過工作流引擎實現業務流程的信息化閉環。

注：中臺指一種靈活、可重用的系統架構，支持快速應對業務需求變化，避免重復建設，達到提高工作效率的目的；微服務指一種開發軟件的架構和組織方法，要求軟件由通過明確定義的接口進行通信的小型獨立服務。

4 結語

本文通過建立上海城市軌道交通數字化生產運維協同系統，使得該系統與運維人員間建立了緊密的協同聯動機制，實現了應急故障搶修和設備日常檢修過程的提質增效，并以此驅動運維生產模式從計劃修向狀態修的轉型。

目前，該系統已在上海城市軌道交通陳太路數字化運維中心投入使用，并建立與之相匹配的運維管理修程/修制。據統計，采用該系統后，通過故障應急協同聯動機制，運維響應及故障處置時間較應用前壓縮了約30%。通過設備狀態監督卡控機制，設備運維成本較未采用該系統時降低了約35%。該系統作為城市軌道交通運維數字化、智能化發展的有效手段，在國內外城市軌道交通運維領域中具有一定的示范作用。